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Java面試系列之并發(fā)編程專題-Synchronized靈魂拷問
作者：
修羅debug
版權(quán)聲明：本文為博主原創(chuàng)文章，遵循 CC 4.0 by-sa 版權(quán)協(xié)議，轉(zhuǎn)載請附上原文出處鏈接和本聲明。
金三銀四跳槽季即將來臨，想必有些猿友已經(jīng)蠢蠢欲動在做相關(guān)的準(zhǔn)備了！在接下來的日子里，筆者將堅持寫作、分享Java工程師在面試求職期間的方方面面，包括簡歷制作、面試場景復(fù)現(xiàn)、面試題解答、談薪技巧 以及 項目的實戰(zhàn)！今天我們先拿Java里面的并發(fā)編程之Synchronized來開刀！
以下內(nèi)容來自 程序員實戰(zhàn)基地 fightjava.com 一位網(wǎng)友最近的面試場景，筆者嘗試著將其復(fù)現(xiàn)，話不多說，咱們直接開擼！
1. 面試官：Synchronized有用過嗎？談?wù)勀銓λ睦斫?span lang="EN-US">
（1）畫外音：面試官主要是想了解你有沒有Java并發(fā)編程方面的經(jīng)驗，可以講講它的概念和部分原理！
（2）回答：Synchronized是Java的關(guān)鍵詞，JVM實現(xiàn)的一種可以實現(xiàn)并發(fā)產(chǎn)生的多個線程互斥同步訪問共享資源的 方式，也可以說是一種 “同步互斥鎖”，在實際代碼中可用于修飾代碼塊、方法、靜態(tài)方法以及類；適用于單體應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)
2.面試官：嗯，說一說它的原理？
（1）畫外音：這么快就問原理，看來是動真格的了，不是隨便問問而已！
（2）回答： 通過查看被Synchronized 修飾過的代碼塊編譯后的字節(jié)碼，會發(fā)現(xiàn)編譯器會在 被Synchronized修飾過的代碼塊 的前、后生成兩個字節(jié)碼指令：monitorenter、monitorexit；
這兩個字節(jié)碼指令的含義：當(dāng)JVM執(zhí)行到monitorenter指令時，首先會嘗試著先獲取對象（共享資源）的鎖，如果該對象沒有被鎖定、又或者當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個對象的鎖時，則鎖的計數(shù)器count加1，即執(zhí)行 +1 操作；當(dāng)JVM執(zhí)行monitorexit指令時，則將鎖的計數(shù)器count減一，即執(zhí)行 -1 操作；
當(dāng)計數(shù)器count為0時 ，該對象的鎖就被釋放了??！
如果當(dāng)前線程獲取該對象的鎖失敗了，則進入堵塞等待狀態(tài)，直到該對象的鎖被另外一個線程釋放為止；即Java中的Synchronize底層其實是通過對象（共享資源）頭、尾設(shè)置標(biāo)記，從而實現(xiàn)鎖的獲取和釋放。
3.面試官：你剛才提到獲取對象的鎖，說一說“鎖”到底是什么，如何確定對象的鎖？
（1）畫外音：這是筆者自行想象、擴充的內(nèi)容！
（2）回答： “鎖” 可以理解為monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令之間的一個 Reference類型的參數(shù)，即要鎖定Lock和解鎖UnLock的對象
眾所周知，使用Synchronized可以修飾不同的對象，因此，對應(yīng)的對象的鎖可以這么確定：
A.如果Synchronized 明確指定了“鎖”的對象，比如Synchronized變量、 Synchronized(this) 等，說明加、解鎖的即為該變量、當(dāng)前對象；
B.若 Synchronized 修飾的方法為非靜態(tài)方法，表示此方法對應(yīng)的對象為“鎖”對象； 若 Synchronized 修飾的方法為靜態(tài)方法，則表示此方法對應(yīng)的類對象為“鎖”對象；
注意：當(dāng)一個對象被鎖住時，對象里面所有用Synchronized 修飾的方法都將產(chǎn)生堵塞， 而對象里非Synchronized 修飾的方法可正常被調(diào)用，不受鎖的影響；
4.面試官：什么叫可重入鎖，為什么說Synchronized是可重入鎖？
（1）畫外音：這面試官腦袋瓜轉(zhuǎn)得可真快！
（2）回答：通俗地講，“可重入”指的是：當(dāng) 當(dāng)前線程獲取到了當(dāng)前對象的鎖之后，如果后續(xù)的操作仍然需要獲取獲取該對象的鎖時，可以不用再次重新獲取，即可以直接操作該對象（共享資源）；
可重入性是鎖的一個基本要求，是為了解決自己鎖死自己的情況，比如一個類的同步方法調(diào)用另一個同步方法時，假如Synchronized不支持重入，進入method2方法時當(dāng)前線程已經(jīng)獲得鎖，而在method2方法里面執(zhí)行method1時當(dāng)前線程又要去嘗試獲取鎖，這時如果不支持重入，它就要等待釋放，把自己阻塞，導(dǎo)致很有可能自己鎖死自己！
對Synchronized來說，可重入性是顯而易見的，剛才提到，在執(zhí)行monitorenter指令時，如果這個對象沒有鎖定，或者當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個對象的鎖，就把鎖的計數(shù)器+1，其實本質(zhì)上就是通過這種方式實現(xiàn)了可重入性（而不是已擁有了鎖則不能繼續(xù)獲?。?。
5.面試官：說一說JVM底層對Java的原生鎖做了哪些優(yōu)化？
（1）畫外音：這有點難，特意上網(wǎng)參考了下，原來是關(guān)于鎖競爭和升級的……
（2）回答：在Java 6以前前，Monitor的實現(xiàn)完全依賴底層操作系統(tǒng)的互斥鎖來實現(xiàn)，也就是上面在問題2中所闡述的獲取、釋放鎖的邏輯；由于Java的線程與操作系統(tǒng)的原生線程有映射關(guān)系，如果要將一個線程進行阻塞或喚起 都需要操作系統(tǒng)的協(xié)助，這就需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)來執(zhí)行，這種切換代價十分昂貴，很耗處理器時間，現(xiàn)代JDK中做了大量的優(yōu)化；
一種優(yōu)化是使用自旋鎖，即在線程進行阻塞操作之前先讓線程自旋等待一段時間，可能在等待期間其他線程已經(jīng)解鎖，這時就無需再讓線程執(zhí)行阻塞操作，避免了用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。
而現(xiàn)代JDK中還提供了三種不同的Monitor實現(xiàn)，也就是三種不同的鎖：偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖
這三種鎖使得JDK得以優(yōu)化Synchronized的運行，當(dāng)JVM檢測到不同的競爭狀況時，會自動切換到適合的鎖實現(xiàn)，這就是鎖的升級、降級。
當(dāng)沒有競爭出現(xiàn)時，默認(rèn)使用偏向鎖，JVM會利用CAS操作，在對象頭上的MarkWord部分設(shè)置線程ID，以表示這個對象偏向于當(dāng)前線程，所以并不涉及真正的互斥鎖，因為在很多應(yīng)用場景中，大部分對象生命周期中最多會被一個線程鎖定，使用偏斜鎖可以降低無競爭開銷。
如果有另一線程試圖鎖定某個被偏向鎖鎖過的對象，JVM就會自動撤銷偏向鎖，切換到輕量級鎖實現(xiàn)；輕量級鎖依賴CAS操作MarkWord來試圖獲取鎖，如果重試成功，就使用普通的輕量級鎖；否則，進一步升級為重量級鎖；
6.面試官：嗯，不錯，Synchronized是公平鎖還是非公平鎖，為什么？
（1）畫外音：這個倒不難……
（2）回答：非公平；非公平主要表現(xiàn)在獲取鎖的行為上：并非是按照申請鎖的時間前后給等待線程分配鎖的，每當(dāng)鎖被釋放后，任何一個線程都有機會競爭到鎖，這樣做的目的是為了提高執(zhí)行性能，缺點是可能會產(chǎn)生線程饑餓現(xiàn)象；
7.面試官： 為什么說Synchronized是悲觀鎖？
（1）畫外音：面試官的用意應(yīng)該是想讓候選人談?wù)剬Ρ^鎖的理解（下面的回答有點官方）
（2）回答：因為Synchronized的并發(fā)策略是悲觀的：即不管是否會產(chǎn)生競爭，任何的數(shù)據(jù)操作都必須要加鎖，包括“從用戶態(tài)切換到核心態(tài)”、“維護鎖計數(shù)器”和“檢查被阻塞的線程是否需要被喚醒”等操作；
隨著硬件指令集的發(fā)展，我們可以使用基于沖突檢測的樂觀并發(fā)策略，即先進行操作，如果沒有其他線程征用數(shù)據(jù)，那操作就成功了；
如果共享數(shù)據(jù)有征用，產(chǎn)生了沖突，那就再進行其他的補償措施，這種樂觀的并發(fā)策略的許多實現(xiàn)不需要線程掛起，所以被稱為非阻塞同步。
8.面試官： 那你了解樂觀鎖嗎，它的實現(xiàn)原理又是什么，能講講嗎？
（1）畫外音：應(yīng)該是聊聊CAS機制……
（2）回答：樂觀鎖，顧名思義表示系統(tǒng)總是認(rèn)為當(dāng)前的并發(fā)情況是樂觀的，而不需要通過加各種鎖進行控制；
樂觀鎖的實現(xiàn)原理是CAS機制（Compare And Swap，比較并交換），一種在JUC中廣泛使用的算法；它涉及到三個操作數(shù)：內(nèi)存值V、預(yù)期值A、新值B，當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A和內(nèi)存值V相等時才將內(nèi)存值V修改為新值B；
其底層實現(xiàn)邏輯：首先檢查某塊內(nèi)存的值是否跟之前我讀取的是一樣的，如果不一樣則表示期間此內(nèi)存值已經(jīng)被別的線程更改過，舍棄本次操作，否則說明期間沒有其他線程對此內(nèi)存值操作，可以把新值設(shè)置給此塊內(nèi)存，即間接意味著獲取鎖成功！
CAS具有原子性，它的原子性是由CPU硬件指令實現(xiàn)保證的，即通過JNI調(diào)用Native方法，從而調(diào)用由C++編寫的硬件級別指令，JDK中提供了Unsafe類來執(zhí)行這些操作（查看JUC很多類的底層源碼會發(fā)現(xiàn) Unsafe.compareAndSwapxxx() 的調(diào)用無處不在，很牛逼?。。。?span lang="EN-US">
9.面試官：那樂觀鎖就一定是好的嗎？
（1）畫外音：廢話，世間一切事物哪有什么是一定的，此處應(yīng)該是想讓候選人提到自旋消耗性能以及ABA的問題……
（2）回答：樂觀鎖可以避免 悲觀鎖獨占對象這一現(xiàn)象 的出現(xiàn)，同時也提高了并發(fā)性能，但它也有一些缺點：
A. 樂觀鎖只能保證一個共享變量的原子操作：如果多一個或幾個變量，樂觀鎖將變得力不從心，但互斥鎖能輕易解決，不管對象數(shù)量多少及對象顆粒度大小；
B. 長時間自旋可能導(dǎo)致開銷大。假如CAS長時間不成功而一直自旋，會給CPU帶來很大的開銷；
C. ABA問題：CAS的核心思想是通過比對內(nèi)存值與預(yù)期值是否一樣而判斷內(nèi)存值是否被改過，但這個判斷邏輯不夠嚴(yán)謹(jǐn)；
假如內(nèi)存值原來是A，后來被一線程改為B，最后又被改回了A，則CAS認(rèn)為此內(nèi)存值并沒有發(fā)生改變，但實際上是有被其他線程改過的，這種情況對依賴過程值的情景的運算結(jié)果影響很大。
10.面試官：剛提到ABA的問題，那有什么辦法解決嗎？
（1）畫外音：打個廣告~這個可以看看debug的“分布式鎖實戰(zhàn)視頻教程”，樂觀鎖那里就用的 version來實現(xiàn)的
（2）回答：解決的思路是引入版本號，每次變量更新時都把版本號加1，同時如果條件允許，還需要額外建立數(shù)據(jù)更新歷史表，并同時維護好版本號version 和 數(shù)據(jù)變更記錄的映射關(guān)系！
11.面試官：跟Synchronized相比，可重入鎖ReentrantLock的實現(xiàn)原理有什么不同？
（1）畫外音：打個廣告~這個可以看看debug的“分布式鎖實戰(zhàn)視頻教程”，樂觀鎖那里就用的 version來實現(xiàn)的
（2）回答：其實，幾乎所有鎖的實現(xiàn)原理都是為了達到同個目的：讓所有的線程都能看到某種標(biāo)記，同一時刻只能有一個線程獲取到鎖；
Synchronized通過在對象頭中設(shè)置標(biāo)記MarkWord實現(xiàn)了這一目的，是一種JVM原生的鎖實現(xiàn)方式；
而ReentrantLock以及所有的基于Lock接口的實現(xiàn)類，則是通過一個volitile關(guān)鍵字修飾的int類型變量，并保證每個線程都能擁有對該int變量的可見性和原子性，其本質(zhì)是基于所謂的AQS框架；
12.面試官：你剛剛提到了AQS，那你說說AQS的實現(xiàn)原理？
（1）畫外音：還真是不依不饒啊……
（2）回答：AQS，即 AbstractQueuedSynchronizer 抽象隊列同步器，是一個用來構(gòu)建鎖和同步器的類，JUC Lock包下的鎖（常用的有ReentrantLock、ReadWriteLock），以及其他的像Semaphore、CountDownLatch，甚至是早期的FutureTask等，都是基于AQS來構(gòu)建的；
A.AQS在內(nèi)部定義了一個變量：volatile int state，用于表示同步狀態(tài)：當(dāng)線程調(diào)用lock方法時，如果state=0，說明沒有任何線程占有共享資源的鎖，可以獲得鎖并將state=1；如果state=1，則說明有線程目前正在使用共享變量，其他線程必須加入同步隊列進行等待。
B.AQS內(nèi)部是通過Node實體類來表示一個雙向鏈表結(jié)構(gòu)的同步隊列，完成線程獲取鎖的排隊工作，當(dāng)有線程獲取鎖失敗后，就被添加到隊列末尾。
Node類是對要訪問同步代碼的線程的封裝，包含了線程本身及其狀態(tài)waitStatus（它有五種不同的取值，分別表示是否被阻塞、是否等待喚醒、是否已經(jīng)被取消等），每個Node結(jié)點關(guān)聯(lián)其prev結(jié)點和next結(jié)點（指針），方便線程釋放鎖后快速喚醒下一個在等待的線程，是一個FIFO的過程；
Node類有兩個常量，SHARED和EXCLUSIVE，分別代表共享模式和獨占模式，所謂共享模式是一個鎖允許多條線程同時操作（信號量Semaphore就是基于AQS的共享模式實現(xiàn)的），獨占模式指的是同一個時間段只能有一個線程對共享資源進行操作，多余的請求線程需要排隊等待（如ReentranLock）；
C.AQS通過內(nèi)部類Condition Object構(gòu)建等待隊列（可有多個），當(dāng)Condition調(diào)用wait()方法后，線程將會加入等待隊列中，而當(dāng)Condition調(diào)用signal()方法后，線程將從等待隊列轉(zhuǎn)移動同步隊列中競爭鎖。
D.AQS和Condition各自維護了不同的隊列，在使用Lock和Condition的時候，其實就是兩個隊列的互相移動。
13.面試官：請對比下Synchronized 和 ReentrantLock的異同？
（1）畫外音：筆者自行擴充的
（2）回答：ReentrantLock是Lock的實現(xiàn)類，是一個互斥的同步鎖；
A.從功能角度上看，ReentrantLock比Synchronized的同步操作更精細(xì)（因為可以像普通對象一樣使用），甚至實現(xiàn)了Synchronized沒有的高級功能，如：
等待可中斷：當(dāng)持有鎖的線程長期不釋放鎖的時候，正在等待的線程可以選擇放棄等待，對處理執(zhí)行時間非常長的同步塊很有用。
帶超時的獲取鎖嘗試：在指定的時間范圍內(nèi)獲取鎖，如果時間到了仍然無法獲取則返回，可以判斷是否有線程在排隊等待獲取鎖。
可以響應(yīng)中斷請求：與Synchronized不同，當(dāng)獲取到鎖的線程被中斷時，能夠響應(yīng)中斷，中斷異常將會被拋出，同時鎖會被釋放。
可以實現(xiàn)公平鎖：從鎖的釋放角度上看，Synchronized在JVM層面上實現(xiàn)的，不但可以通過一些監(jiān)控工具監(jiān)控Synchronized的鎖定，而且在代碼執(zhí)行出現(xiàn)異常時，JVM會自動釋放鎖定；但是使用Lock則不行，Lock是通過代碼實現(xiàn)的，要保證鎖定一定會被釋放，就必須將unLock()放到finally{}中。
B.從性能角度上看，Synchronized早期實現(xiàn)比較低效，對比ReentrantLock，大多數(shù)場景性能都相差較大，但是在Java6中對其進行了非常多的改進，在競爭不激烈時，Synchronized的性能要優(yōu)于ReetrantLock；在高競爭情況下，Synchronized的性能會下降幾十倍，但是ReetrantLock的性能能維持常態(tài)。
14.面試官：上面提到ReentrantLock也是一種可重入鎖，那它的底層又是如何實現(xiàn)的？
（1）畫外音：這……還是得聊聊AQS？（后面偷瞄了一會源碼）
（2）回答：ReentrantLock內(nèi)部自定義了同步器Sync（Sync既實現(xiàn)了AQS，又實現(xiàn)了AOS，而AOS提供了一種持有互斥鎖的方式），其實就是加鎖的時候通過CAS算法，將線程對象放到一個雙向鏈表中，每次獲取鎖的時候，看下當(dāng)前維護的那個線程ID和當(dāng)前請求的線程ID是否一樣，一樣就可重入了。
15.面試官：除了Synchronized 和 ReentrantLock，你還接觸過JUC下中的哪些并發(fā)工具？
（1）畫外音：總算人性化一點了，可以自圓其說了！
（2）回答：通常所說的并發(fā)包JUC其實就是java.util.concurrent包及其子包下集合了Java并發(fā)的各種基礎(chǔ)工具類，具體主要包括幾個方面：
A.提供了CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等，比Synchronized更加高級，可以實現(xiàn)更加豐富多線程操作的同步結(jié)構(gòu);
B.提供了ConcurrentHashMap、有序的ConcunrrentSkipListMap，或者通過類似快照機制實現(xiàn)線程安全的動態(tài)數(shù)組CopyOnWriteArrayList等，各種線程安全的容器;
C.提供了ArrayBlockingQueue、SynchorousQueue或針對特定場景的PriorityBlockingQueue等，各種并發(fā)隊列的實現(xiàn)；
D.強大的Executor框架，可以創(chuàng)建各種不同類型的線程池，調(diào)度任務(wù)運行等。
16.面試官：簡單說一說ReadWriteLock 和StampedLock 吧？
（1）畫外音：問得還比較多……
（2）回答：雖然ReentrantLock和Synchronized簡單實用，但是行為上有一定的局限性，要么不占，要么獨占；在實際應(yīng)用場景中，有時候不需要大量競爭的寫操作，而是以并發(fā)讀為主，為了進一步優(yōu)化并發(fā)操作的粒度，Java提供了讀寫鎖；
讀寫鎖基于的原理是：多個讀操作不需要互斥，如果讀鎖試圖鎖定時，寫鎖卻被某個線程持有時，讀鎖將無法獲得，而只好等待對方操作結(jié)束，這樣就可以自動保證不會讀取到臟數(shù)據(jù)；
ReadWriteLock代表了一對鎖，它在數(shù)據(jù)量大 且 并發(fā)讀多、寫少的時候，能夠比純同步版本凸顯出優(yōu)勢；
讀寫鎖看起來比Synchronized的粒度似乎細(xì)一些，但在實際應(yīng)用中，其表現(xiàn)也并不盡人意，主要還是因為相對比較大的開銷；
所以，JDK在后期引入了StampedLock，在提供類似讀寫鎖的同時，還支持優(yōu)化讀模式，優(yōu)化讀是基于這樣的假設(shè)：大多數(shù)情況下讀操作并不會和寫操作沖突，其邏輯是先試著修改，然后通過validate方法確認(rèn)是否進入了寫模式，如果沒有進入，就成功避免了開銷；如果進入，則嘗試獲取讀鎖。
17.面試官：如何讓Java的線程彼此同步？你了解過哪些同步器？
（1）畫外音：應(yīng)該是想聊JUC 同步器的三個成員 ： CountDownLatch、 CyclicBarrier
和 Semaphore，我不玩了……
面試官：看出了我的不悅，詭異一笑，好吧，關(guān)于Java的鎖和同步咱們聊得也比較多了，咱們換個話題吧！??！
下一回合，咱們聊聊 Java的線程池?。?！
總結(jié):
分類導(dǎo)航